GNSS接收机载波相位跟踪环路对地震监测性能的研究

缪杰 田凤东 莒县陵阳地震台

GNSS接收机载波相位跟踪环路对地震监测性能的研究

缪杰 田凤东 莒县陵阳地震台

本文对早期地震监测系统中GNSS载波相位跟踪环路的性能进行了研究。利用硬件模拟器对地震进行了模拟，得到了位置、速度和加速度位移以再现地震。使用软件定义的接收器，对多种带宽和频率的地震波进行了测试。利用锁相指示器，设计了一种自适应跟踪环并测试以最大限度地提高该应用程序的性能。

GNSS 地震监测 接收机

1 背景

对使用GNSS接收机集成的地震预警监测系统的研究已经超过了10年。但是过去的研究仅限于硬件接收器，关于接收机性能的研究很少。本文的使用了自定义的软件对接收机与接收机设计的影响进行分析。具体来说就是利用载波跟踪锁定环以衡量并有提高性能。

全球导航卫星系统接收机可以直接测量位置、位移和速度，而常规地震仪则需要结合加速度来获得位置和速度。这种能力使全球导航卫星系统在大地震预警阶段能够提供快速地面形变估算。这可以大量减少获取大地震的震级估计信息的时间延迟。GNSS接收机噪声带宽与时间相关性都受限于硬件的发展应用，这主要是固定带宽和动态跟踪模拟方法。

本研究的目的是说明如何通过跟踪环路参数影响接收机的性能。软件定义接收器允许对跟踪环进行简单的参数修改。此外，允许使用全球导航卫星系统模拟器模拟的速度、加速度和位移。

2 接收机的设计背景

在接收器可以对位置，速度和时间进行计算的解决方案。系统必须首先生成与卫星输入信号相匹配的本地信号。这是在两个阶段，即采集定位与跟踪。由于两者之间的相对运动，广播频率和接收机所观察到的频率，称为多普勒频移或多普勒频率。那也是由于接收器和卫星时钟引起的时间偏移不同步。第一个阶段就是粗略估计多普勒频移和定时偏移。为了获得早期所需的高精度，地震预警与监测测试必须使用载波跟踪环。载波跟踪环通常由鉴别器定义跟踪带宽积分时间。这三个功能确定该接收机的载波跟踪环路的特性，即相位抖动与最大动态视线，而地震具有更宽的跟踪带宽和更短的接口。

3 方法

地震模拟是为了测试跟踪在高震级事件之前和期间的接收器回路性能。最终选取了使用100赫兹的实际加速度数据。此事件被选定为是因为高加速度经历并提供了接收器可能存在的上、下限。给定动态应力下的正弦运动跟踪带宽PLI可以表明成功的跟踪，称作为假锁。假设当PLI开始减少运动经历的跟踪带宽开始增加，积分时间变短。加速度数据一次集成得到速度的变化，并重新整合获得位置。这种集成是使用该软件完成的，软件可以纠正积分偏置和消除由积分引起的漂移。模拟器的使用允许多个信号在完全相同的条件下去除设置之间可能存在的偏差。为了评估跟踪环路性能，跟踪参数必须是可选择的。但是硬件接收机制造商通常不允许这么做，也不会透露跟踪参数。为此，在本研究中接收机用作该目的的参考接收机。参考接收机之间的距离模拟地震的地点是选定为15公里。在模拟中没有大气误差，卫星轨道误差或多径效应。这样做是接收机噪声和动应力是唯一的误差，电离层延迟不但是电离层闪烁信号的跟踪问题，而且对载波跟踪性能有影响。但是电离层在地震持续期间保持不变，所以影响微不足道。微分方法减轻大多数大气和卫星轨道错误。能够跟踪多个卫星系统和多个频率。

4 结果和分析

前面讨论了窄带宽和长的积分时间是地震探测的理想时间。地震的开始。使用gnsrx软件对积分时间1,5和10ms，跟踪带宽为5、10、15、20、30、40、50赫兹的信号进行了测试。因为数据速率是设置为100赫兹，最大积分时间为10。这需要尽可能高的精度。一旦地震被发现，主要接收机的目标是记录引起的运动。地震均方根和最大位移错误应尽量减少，以创造最高运动精度和可靠性记录。这些结果提供了更多效果跟踪带宽的可视化表示在动态应力期间。所提出的自适应跟踪环路能够最大限度地减少最大误差。还提供低的均方根误差峰值加速度在归一化时期。自适应跟踪环15赫兹的固定带宽是可比较的。PRI数据集之间相似性的原因是由于接收信号的信号强度。所有被跟踪的卫星都具有高信号强度。

5 总结

本文对全球导航卫星系统载波跟踪环路的性能应用进行了评价。使用gsnrx软件来测试接收机，跟踪带宽为5、10、15、20、30、40、50赫兹，积分时间为1,5ms，对10ms信号源进行了测试。使用较长的积分时间和NAR行跟踪带宽对于减少接收机静周期噪声是效果最理想，更宽的带宽和更短的跟踪环可能需要集成时间。跟踪带宽的范围在15到30赫兹之间，能够最大程度的减少地震事件中最大误差。设计了自适应软件并测试了跟踪回路。相位锁定指示器这种方法被证明可以克服高精度动态设计和耐压力的要求。本文所提出的自适应跟踪环路能够提供低噪声水平从而在准确可靠的情况下开始地震事件期间的运动记录。未来的工作主要包括改进决策过程和阈值用于自适应跟踪环路工作。

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